JPH02247553A - Small-sized oxygen electrode - Google Patents

Small-sized oxygen electrode

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JPH02247553A
JPH02247553A JP1068645A JP6864589A JPH02247553A JP H02247553 A JPH02247553 A JP H02247553A JP 1068645 A JP1068645 A JP 1068645A JP 6864589 A JP6864589 A JP 6864589A JP H02247553 A JPH02247553 A JP H02247553A
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electrolyte
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博章 鈴木
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文雄 武井
Akio Sugama
明夫 菅間
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小嶋 尚美
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Abstract

PURPOSE:To electrochemically make stricter measurement by determining oxygen by 3-electrode constitution consisting of a working electrode, counter electrode and reference electrode. CONSTITUTION:A silicon oxide film 2 is deposited as an insulating layer over the entire surface of holes 5 formed by anisotropic etching in a silicon substrate 2 and further, the rear surface of the substrate 1 is coated with a hydrophobic insulating film 7. A part of a counter electrode 3B deposited in the holes 5 extends to the outer side of the holes 5 so as to be electrically connected to the outside and an electrolyte-contg. gel 6 is filled in the holes 5. Resist patterns 9 are provided in electrode sensitive parts and the part where there are no holes 5 formed with the working electrode 3A and the reference electrode 3C is acted to store the gel 6. A gas permeable film 14 covers the entire upper part of the substrate 1 to prevent the leakage of the gel 6 and simultaneously covers the side faces and rear surface of the substrate 1 as the insulating film. If the measurement is made by such 3-electrode constitution, current hardly flows in the electrode 3C and, therefore, the life thereof is prolonged and the there is eventually the effect of prolonging the life of the device itself. In addition, the stricter measurement is electrochemically made.

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 本発明は小型酸素電極に関し、電極を作用極、対極、参
照極からなる3極で構成し、電気化学的に厳密な測定を
可能とし寿命を延ばす効果がある小型酸素電極を提供す
ることを目的とし、異方性エツチングにより形成された
溝(穴)を有する半導体基板と、該基板表面を覆う絶縁
膜と、該大の底部から該基板の表面に至って形成された
対極、該穴が形成されていない該基板の表面に形成され
た作用極及び参照極と、該対極1作用極及び参照極上に
またがる内部電解質を設けるように電極感応部を確定す
る疎水性絶縁膜と、該対極2作用極及び参照極を覆い該
大の内部を含み該電極感応部に充填された電解液含有多
孔性物質と、該電解液含有多孔性物質を覆うガス透過性
膜とを有して小型酸素電極を構成する。
[Detailed Description of the Invention] [Summary] The present invention relates to a small oxygen electrode, which consists of three electrodes consisting of a working electrode, a counter electrode, and a reference electrode, which enables precise electrochemical measurements and has the effect of extending the lifespan. The purpose is to provide a certain small-sized oxygen electrode, which includes a semiconductor substrate having a groove (hole) formed by anisotropic etching, an insulating film covering the surface of the substrate, and an insulating film extending from the bottom of the substrate to the surface of the substrate. a hydrophobic part defining an electrode sensitive part so as to provide a counter electrode, a working electrode and a reference electrode formed on the surface of the substrate in which the hole is not formed, and an internal electrolyte spanning over the counter electrode 1 working electrode and reference electrode; an electrolytic solution-containing porous material that covers the counter electrode, the two working electrodes and the reference electrode, and that includes the inside of the electrode and fills the electrode sensitive part, and a gas permeable film that covers the electrolytic solution-containing porous material. and constitute a small oxygen electrode.

〔産業上の利用分野〕[Industrial application field]

小型酸素電極は、いろいろな分野において、溶存酸素濃
度の測定に有利に用いることができる。
Small oxygen electrodes can be advantageously used for measuring dissolved oxygen concentrations in various fields.

例えば、水質保全の見地から水中の生化学的酸素要求f
1(BOD)の測定が行われているが、この溶存酸素濃
度の測定器としてこの小型酸素電極を使用することがで
きる。また、醗酵工業において効率良(アルコール醗酵
を進めるためには醗酵槽中の溶存酸素濃度の調整が必要
であり、この測定器として本発明の小型酸素電極を使用
することができる。さらにまた、小型酸素電極は2酵素
と組み合わせて酵素電極を形成し、1!やビタミンなど
の濃度測定に用いることもできる0例えば、グルコース
はグルコースオキシダーゼという酵素を触媒とし9熔存
酸素と反応してグルコノラクトンに酸化するが、これに
より酸素電極セルの中に拡散してくる溶存酸素が減るこ
とを利用し、溶存酸素の消費量からグルコース濃度を測
定することができる。
For example, from the viewpoint of water quality conservation, biochemical oxygen demand f in water
1 (BOD) is being measured, and this small oxygen electrode can be used as a measuring device for the dissolved oxygen concentration. In addition, in the fermentation industry, it is necessary to adjust the dissolved oxygen concentration in the fermenter in order to proceed with efficient alcohol fermentation, and the small oxygen electrode of the present invention can be used as a measuring instrument for this purpose. The oxygen electrode can be combined with 2 enzymes to form an enzyme electrode, which can also be used to measure the concentration of 1!, vitamins, etc. 0 For example, glucose reacts with dissolved oxygen using the enzyme glucose oxidase as a catalyst to produce gluconolactone. However, by utilizing the fact that dissolved oxygen that diffuses into the oxygen electrode cell decreases, the glucose concentration can be measured from the amount of dissolved oxygen consumed.

このように本発明の小型酸素電極は、環境計測。In this way, the small oxygen electrode of the present invention is suitable for environmental measurement.

醗酵工業、臨床医療など各種の分野で使用することがで
きるが、特に臨床医療分野においてカテーテルに装着し
2体内に挿入する用途においては。
It can be used in various fields such as fermentation industry and clinical medicine, but especially in the field of clinical medicine where it is attached to a catheter and inserted into the body.

小型であるとともに使い捨て可能で低価格であれば、非
常に利用価値がある。
If it is small, disposable, and inexpensive, it is very useful.

〔従来の技術〕 本発明者らは、従来のガラス製の酸素電極では。[Conventional technology] The inventors found that with conventional glass oxygen electrodes.

小型化ができず大量生産も不可能であるので、リソグラ
フィー技術及び異方性エツチング技術を利用した新しい
タイプの小型酸素電極を開発し、特許出願した(特開昭
63−238548号)  この酸素電極は、シリコン
基板上に異方性エツチングにより形成した穴の上に、絶
縁膜を介して2本の電極を形成し、さらにこの穴の内部
に電解液含有体を収容し、そして穴の上面をガス透過性
膜で覆った構造を有する酸素電極である。この酸素電極
は、小型で、特性のばらつきが少なく、また−括大量生
産ができるために、低コストである。
Since miniaturization and mass production were not possible, we developed a new type of compact oxygen electrode using lithography technology and anisotropic etching technology, and applied for a patent (Japanese Patent Laid-Open No. 63-238548). In this method, two electrodes are formed on a hole formed by anisotropic etching on a silicon substrate through an insulating film, an electrolyte-containing body is housed inside the hole, and the upper surface of the hole is This is an oxygen electrode that has a structure covered with a gas permeable membrane. This oxygen electrode is small, has little variation in characteristics, and can be mass-produced in bulk, resulting in low cost.

本発明者らは、この点をさらに改良してより大量生産向
きなものとなすべく研究の結果、ポリアクリルアミドゲ
ルを用い、シリコン基板上の微小な多くの穴の中に、−
括してゲルを注入可能な方法を見出した(特開昭63−
311158号)  この小型酸素電極の製造方法は、
リソグラフィー技術と異方性エツチング技術とを用いて
複数個の穴を形成した後に各人に絶縁膜を介して電極を
形成したシリコン基板上に、該大の部分を除いてネガ型
レジストを被覆し、該基板を電解液を含んだ光重合性モ
ノマー、好ましくはアクリルアミドの溶液に浸漬し、そ
れぞれの穴に該溶液を満たした状態で紫外線を照射して
硬化せしめ、電解液を含んだ多孔質担体を穴の中に形成
することを特徴とする。この製造方法によれば、小型酸
素電極を形成する微小な穴の中にのみ選択的に電解液を
保持する多孔質の担体を形成することができるので5よ
り大量生産が可能になる。
The present inventors conducted research to further improve this point and make it more suitable for mass production. Using polyacrylamide gel, -
We discovered a method that allows gel to be injected all at once (Japanese Patent Application Laid-open No. 1983-
311158) The manufacturing method of this small oxygen electrode is as follows:
After forming multiple holes using lithography technology and anisotropic etching technology, electrodes were formed on each silicon substrate through an insulating film, and then a negative resist was coated on the silicon substrate, except for the large part. , the substrate is immersed in a solution of a photopolymerizable monomer, preferably acrylamide, containing an electrolytic solution, and each hole is filled with the solution and cured by irradiation with ultraviolet rays to form a porous carrier containing an electrolytic solution. is formed in a hole. According to this manufacturing method, it is possible to form a porous carrier that selectively retains the electrolyte only in the minute holes that form the small oxygen electrode, making mass production possible.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

上記した特開昭63−238548号に記載された方法
は非常に小型の酸素電極を大量に生産できるという点で
画期的な製造方法である。しかし、この方法を詳細に検
討してみると、実用化にいたるために解決しなければな
らない問題があることがわかった。
The method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-238548 mentioned above is an epoch-making manufacturing method in that very small oxygen electrodes can be produced in large quantities. However, a detailed study of this method revealed that there are problems that must be resolved before it can be put into practical use.

本発明に係わる小型酸素電極は、半導体集積回路の形成
に使用されているリソグラフィー技術と薄膜形成技術と
を用いて小型酸素電極を量産するものであり、実用に耐
えうるちのにするためにはノイズが少なく、再現性の良
いものが得られなければならない。このための一つの手
段として、アノードをtffi/塩化銀参照電極に置き
換え、カソードでの酸素の還元のための電位をより安定
に確定する方法が考えられ1本発明者らが発明の変形例
として、アノードに銀/塩化銀参照電極を用いるものも
考案している(特開昭63−238548号)しかし、
この銀/塩化銀参照電極を小型酸素電極のプロセスで用
いるような薄膜状で、リソグラフィーにより形成する場
合には、この参照極をアノードとする2橋形式で使用す
る場合には、アノードがすべて塩化銀に変わってしまい
、金アノードの場合よりもむしろ不安定になってしまう
という問題が生じた。
The small oxygen electrode according to the present invention is a small oxygen electrode that is mass-produced using lithography technology and thin film formation technology that are used for forming semiconductor integrated circuits. It must be possible to obtain a product with low nuisance and good reproducibility. One possible means for this is to replace the anode with a tffi/silver chloride reference electrode to more stably determine the potential for oxygen reduction at the cathode. , also devised one using a silver/silver chloride reference electrode for the anode (Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-238548).
When this silver/silver chloride reference electrode is formed by lithography in the form of a thin film such as that used in the process of small oxygen electrodes, and when used in a two-bridge format with this reference electrode as an anode, the anode is completely chlorinated. The problem was that it turned into silver, making it more unstable than with gold anodes.

特性上の不安定さは、1i1/塩化銀参照電極が時間と
ともに変化するためである。上記酸素電極はできるかぎ
り単純化するために2カソード・アノ−ドの2極のみか
らなる構成をとっている。
The instability in properties is due to the change of the 1i1/silver chloride reference electrode over time. In order to simplify the oxygen electrode as much as possible, the oxygen electrode has a structure consisting of only two cathodes and an anode.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

電気化学的により厳密に測定を行おうとするならば、酸
素を検出する作用極、対極9参照極の3橿祷成をとった
方が望ましい、3極構成は、厳密さだけではない。この
構成を取ると1作用極(カソード)電位は参照極に対し
て一定に設定されるが電流は主に作用極(カソード)一
対極(アノード)間に流れ、参照橋上では、その組成を
大きく変えるような電気化学反応は起こりにくいからで
ある。このようなことから、前記の問題点の解決のため
には、3極構成をとった方が有利である。
If electrochemical measurements are to be carried out more precisely, it is desirable to have a three-electrode configuration consisting of a working electrode that detects oxygen, a counter electrode, and a reference electrode.The three-electrode configuration is not only important for accuracy. With this configuration, the potential of one working electrode (cathode) is set constant with respect to the reference electrode, but the current mainly flows between the working electrode (cathode) and the opposite electrode (anode), and on the reference bridge, the composition is This is because electrochemical reactions that cause changes are unlikely to occur. For this reason, in order to solve the above-mentioned problems, it is more advantageous to adopt a three-pole configuration.

本発明は上記点に迄み成されたもので、異方性エツチン
グにより形成された溝(穴)を有する半導体基板と、該
基板表面を覆う絶縁膜と、該大の底部から該基板の表面
に至って形成された対極。
The present invention has been accomplished up to the above point, and includes a semiconductor substrate having a groove (hole) formed by anisotropic etching, an insulating film covering the surface of the substrate, and a surface of the substrate extending from the bottom of the substrate. The opposite pole was formed.

該穴が形成されていない該基板の表面に形成された作用
極及び参照極と、該対極2作用極及び参照極上にまたが
る内部電解質を設けるように電極感応部を確定する疎水
性絶縁膜と、該対極1作用極及び参照極を覆い該大の内
部を含み該電極感応部に充填された電解液含有多孔性物
質と、該電解液含有多孔性物質を覆うガス透過性膜とを
有する小型酸素電極により達成される。
A working electrode and a reference electrode formed on the surface of the substrate in which the hole is not formed, and a hydrophobic insulating film defining an electrode sensitive part so as to provide an internal electrolyte spanning over the two counter electrodes and the working electrode and the reference electrode; A small oxygen having an electrolyte-containing porous material that covers the counter electrode 1 working electrode and the reference electrode and that includes the large interior and fills the electrode sensitive part, and a gas permeable membrane that covers the electrolyte-containing porous material. This is achieved by electrodes.

小型酸素電極の電極構成配置としては対極の面積を作用
極の面積の10倍程度とし、対極で律速とならないよう
に対極(アノード)の面積を大きく、作用極(カソード
)の面積を小さくするのが電気的特性上から望ましい。
The electrode configuration of a small oxygen electrode is such that the area of the counter electrode is about 10 times the area of the working electrode, and the area of the counter electrode (anode) is large and the area of the working electrode (cathode) is small so that the counter electrode does not become rate limiting. is desirable from the viewpoint of electrical characteristics.

従って上記小型酸素電極の電極構成配置としては、後述
する実施例に示される如く対極(アノード)をコの字状
に形成し、作用極(カソード)をコの字状の空き部分に
相補的に配置形成し、参照極を対極と作用極の間に略対
称的に配置形成するのが望ましい。しかし電極構成配置
としては上記にかぎらず?1t8i構成配置が非対称で
あっても電解液含有多孔性物質が対極1作用極及び参照
極にまたがって電極感応部を覆う構成であればよい。
Therefore, as for the electrode configuration arrangement of the above-mentioned small oxygen electrode, the counter electrode (anode) is formed in a U-shape, and the working electrode (cathode) is formed complementary to the open part of the U-shape, as shown in the examples described later. Preferably, the reference electrode is arranged approximately symmetrically between the counter electrode and the working electrode. However, the electrode configuration is not limited to the above. Even if the 1t8i configuration arrangement is asymmetrical, it is sufficient that the electrolyte-containing porous material straddles the counter electrode 1 working electrode and the reference electrode and covers the electrode sensitive part.

上記小型酸素電極は半導体基板上に異方性エツチングに
より溝(穴)をあけ、絶縁膜を形成した後、前記穴の底
部から前記基板の表面に至る対極(アノード)およびこ
れに近接し前記穴が形成されていない前記基板の表面に
形成された作用極(カソード)及び参照極を形成し、前
記対極1作用極及び参照極上にまたがる内部電解質を設
けるように電極感応部を確定する疎水性絶縁膜を形成後
前記対極5作用極および参照極の露出部分を覆うように
穴の内部を含み電解液含有多孔性物質を満たし、前記電
解液含有多孔性物質を覆うガス透過性膜を形成する方法
により製造できる。
The above-mentioned small oxygen electrode is made by forming a groove (hole) on a semiconductor substrate by anisotropic etching and forming an insulating film. A working electrode (cathode) and a reference electrode are formed on the surface of the substrate where no After forming the membrane, the gas permeable membrane is formed by filling the inside of the hole with an electrolyte-containing porous material so as to cover the exposed portions of the counter electrode 5 working electrode and reference electrode, and covering the electrolyte-containing porous material. It can be manufactured by

本発明の方法を実施するにあたって、電極本体の基材と
しては、半導体基板、特にシリコン基板を有利に使用す
ることができる。絶縁膜は、シリコン酸化膜、その他か
ら形成することができる。
In carrying out the method of the invention, a semiconductor substrate, in particular a silicon substrate, can advantageously be used as the base material of the electrode body. The insulating film can be formed from a silicon oxide film or other materials.

シリコン酸化膜は1例えば基板がシリコンである場合に
、その基板を熱酸化することによって容易に形成するこ
とができる。
A silicon oxide film can be easily formed by thermally oxidizing the substrate, for example, when the substrate is made of silicon.

作用極・対極としては金電極、白金電極を用いることが
できる。
A gold electrode or a platinum electrode can be used as the working electrode and counter electrode.

電極形成後の基板上に穴の部分及び電気的コンタクトを
取る部分を除いて塗布するフォトレジストは、好ましく
はネガ型フォトレジスト、例えば東京応化製OMR−8
3である。このタイプのフォトレジストは、穴の部分の
みに電解液含有多孔性物質を満たすに際して、その原料
となる水溶液をはじく性質を持っているので有利である
The photoresist coated on the substrate after electrode formation except for the hole portions and the portions for electrical contact is preferably a negative photoresist, such as OMR-8 manufactured by Tokyo Ohka Chemical Co., Ltd.
It is 3. This type of photoresist is advantageous because it has the property of repelling the aqueous solution that is the raw material when only the hole portions are filled with an electrolyte-containing porous material.

電解液含有ゲルの形成は1例えば特開昭63−3111
58号に記載されているように、基板を電解液含有アク
リルアミド水溶液中に浸漬し、そのような溶液に浸した
状態で基板をゆっくり引き上げ、さらにこの状態の基板
に紫外線を照射してゲル化する方法や、特願昭63−1
76978号に述べたアルギン酸カルシウムを用いる方
法により有利に実施することができる。即ち、電解質含
有多孔性物質としてポリアクリルアミドゲル、アルギン
酸カルシウムゲルを用いることができる。また、電解質
含有多孔性物質の代わりに、高分子電解質を用いること
ができる。
Formation of electrolyte-containing gel is described in 1, for example, JP-A-63-3111.
As described in No. 58, a substrate is immersed in an acrylamide aqueous solution containing an electrolyte, the substrate is slowly pulled up while immersed in such solution, and the substrate in this state is further irradiated with ultraviolet rays to gel it. Method and patent application 1986-1
This can be carried out advantageously by the method using calcium alginate as described in No. 76978. That is, polyacrylamide gel or calcium alginate gel can be used as the electrolyte-containing porous material. Moreover, a polymer electrolyte can be used instead of the electrolyte-containing porous material.

多孔性担体により保持されるべき電解質としては塩化カ
リウム、硫酸ナトリウム等、いろいろなものを用いるこ
とができる。電解質として塩化カリウムを用い、参照極
として銀/塩化銀電極を用いることができる。
Various electrolytes such as potassium chloride and sodium sulfate can be used as the electrolyte to be retained by the porous carrier. Potassium chloride can be used as the electrolyte and a silver/silver chloride electrode can be used as the reference electrode.

ガス透過性膜は、疎水性で水溶液が通過しないことはも
ちろんであるが、初めは液体状でデイツプコーティング
あるいはスピンコーティングが可能であり、電極材料、
シリコン基板、そして絶縁膜としてのシリコン酸化膜と
の密着力が良好で電解液が外部に漏出しないことも必須
の要件である。
Gas-permeable membranes are hydrophobic and do not allow aqueous solutions to pass through them, but they are initially liquid and can be dip-coated or spin-coated.
It is also essential that the adhesion between the silicon substrate and the silicon oxide film as an insulating film is good and that the electrolyte does not leak outside.

適当なガス透過性膜材料としては、フォトレジスト、好
ましくはネガ型フォトレジストなどを挙げることができ
る。テフロン(商品名)[1は、酸素透過性であるけれ
ども密着力を持たないので、使用を避けなければならな
い。
Suitable gas permeable membrane materials include photoresists, preferably negative-tone photoresists, and the like. Although Teflon (trade name) [1] is oxygen permeable, it does not have adhesive strength, so its use must be avoided.

〔作用〕[Effect]

上記のように3極形式で測定を行えば、参照極には電流
が流れにくくなるので、参照極の寿命を延ばし、ひいて
は小型酸素電極自体の寿命を延ばす効果がある。また、
3極形式は電気化学的により厳密な測定を可能にする効
果がある。
If measurement is performed in the three-electrode format as described above, it becomes difficult for current to flow through the reference electrode, which has the effect of extending the life of the reference electrode and, by extension, the life of the small oxygen electrode itself. Also,
The three-electrode format has the effect of enabling more precise electrochemical measurements.

〔実施例〕〔Example〕

本発明による小型酸素電極の製法の好ましい一例を添付
の図面を参照しながら説明する。
A preferred example of the method for manufacturing a small oxygen electrode according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

第1図は1本発明による小型酸素電極の好ましい一例を
示した平面図(A)および平面図(A)の■−■線断面
を示す感応部断面図(B)である。図示の酸素電極は直
方体の形状を有していて感応部がガス透過性M!14で
覆われるとともに。
FIG. 1 is a plan view (A) showing a preferable example of a small-sized oxygen electrode according to the present invention, and a sectional view (B) of a sensitive part showing a section taken along the line ■--■ of the plan view (A). The oxygen electrode shown has a rectangular parallelepiped shape, and the sensitive part has gas permeability M! Along with being covered with 14.

付属のデバイスに接続するため1作用極3A、対極3B
、参照極3Cの一部が露出している。電極3A、3Bは
5本例の場合、金電極で、電極3CはiI/塩化銀参照
電極で構成した。
1 working electrode 3A, counter electrode 3B for connecting to the attached device
, a part of the reference electrode 3C is exposed. In the case of five electrodes, electrodes 3A and 3B were gold electrodes, and electrode 3C was an iI/silver chloride reference electrode.

シリコン基板lは、異方性エツチングにより形成された
溝(穴)を有するとともに、その全面にシリコン酸化膜
2が絶縁膜として被着せしめられている。さらに基板裏
面は破れにくい疎水性絶縁膜7で覆われている。シリコ
ン基板1の穴5には対極3Bが被着せしめられている。
The silicon substrate 1 has a groove (hole) formed by anisotropic etching, and a silicon oxide film 2 is deposited as an insulating film on the entire surface thereof. Furthermore, the back surface of the substrate is covered with a hydrophobic insulating film 7 that is hard to tear. A counter electrode 3B is attached to the hole 5 of the silicon substrate 1.

対極3Bは。On the other end of the spectrum is 3B.

第1図で示したように、一部分が外部と電気的なコンタ
クトを取れるように、穴の外側にまで延在している。ま
た、シリコン基板lの穴5には電解液含有ゲル6が満た
されている。電極感応部は。
As shown in FIG. 1, a portion extends outside the hole to make electrical contact with the outside. Further, the holes 5 in the silicon substrate 1 are filled with an electrolyte-containing gel 6. The electrode sensitive part.

ネガ型フォトレジストのパターニングにより確定されて
いるが、このレジストパターン9(第2図(C))は2
作用橿と参照極を形成した第1図の穴の掘っていないと
ころに電解質を溜めるのに有利に作用する。穴に満たさ
れた電解液含有ゲル6の上部には、基板lの上部の全面
(第1図の露出部を除く)を覆う形で、ガス透過性膜1
4が被覆されており、これは絶縁膜として側面および裏
面にも覆われている。
This resist pattern 9 (FIG. 2(C)) is determined by patterning a negative photoresist.
This works advantageously to store electrolyte in the area where the hole in FIG. 1 where the working rod and reference electrode are formed is not dug. On top of the electrolyte-containing gel 6 filled in the hole, a gas permeable film 1 is placed so as to cover the entire upper surface of the substrate l (excluding the exposed part in FIG. 1).
4 is coated, and the side and back surfaces are also covered as an insulating film.

第1図に示した小型酸素電極は2例えば、第2図に順を
追って示す製造プロセスで有利に製造することができる
。なお、第2図(A)に示す作用極3Aおよび対極3B
形成後の本体は1次のような工程を経て製造することが
できる。なお、以下の説明では、理解を容易ならしめる
ため、1枚のウェハーに1個だけ酸素電極を形成する場
合について記載するけれども、実際には多数個の小型酸
素電極が同時に形成されるということを理解されたい、
なお、ここでは特願昭63−176978号に基づき、
アルギン酸カルシウムゲルを電解質含有ゲルとして用い
る場合について述べる。
The miniature oxygen electrode shown in FIG. 1 can be advantageously manufactured, for example, by the manufacturing process shown in sequence in FIG. Note that the working electrode 3A and counter electrode 3B shown in FIG. 2(A)
The formed main body can be manufactured through the following steps. In the following explanation, in order to make it easier to understand, we will describe the case where only one oxygen electrode is formed on one wafer, but it is important to note that in reality, many small oxygen electrodes are formed at the same time. I want to be understood,
Furthermore, here, based on Japanese Patent Application No. 176978/1983,
The case where calcium alginate gel is used as an electrolyte-containing gel will be described.

■、ウェハー洗浄 厚さ350II11の(100)面2インチシリコンウ
ェハーを用意し、これを過酸化水素とアンモニアの混合
溶液および濃硝酸で洗浄した。
(2) Wafer Cleaning A 2-inch (100)-sided silicon wafer with a thickness of 350II11 was prepared and cleaned with a mixed solution of hydrogen peroxide and ammonia and concentrated nitric acid.

2、SiO□膜の形成 シリコンウェハーをウェット熱酸化し、その全面に膜厚
0.8 μ−のSi0g膜を形成した。
2. Formation of SiO□ film A silicon wafer was subjected to wet thermal oxidation to form a SiOg film with a thickness of 0.8 μ- on the entire surface.

3、エツチング用パターンの形成 ネガ型フォトレジスト(東京応化型 OMR−83粘度
60 cP)を使用して、ウェハー上にエツチング用レ
ジストパターンを形成した。
3. Formation of etching pattern An etching resist pattern was formed on the wafer using a negative photoresist (Tokyo Ohka OMR-83, viscosity 60 cP).

4、裏面保護用のレジスト塗布 ウェハーの裏面にも上記工程で使用したものと同じネガ
型フォトレジストを塗布し、130°Cで30分間に渡
ってベークした。
4. Coating of resist for backside protection The same negative photoresist as used in the above step was also applied to the backside of the wafer and baked at 130°C for 30 minutes.

5,5iOz膜のエツチング 50%フッ化水素酸:40%フッ化アンモニウム=l:
6水溶液にウェハーを浸漬し、フォトレジストが被覆さ
れていない露出部分の5i(hをエツチングにより除去
した。引き続いて硫酸/過酸化水素水(2:1)溶液に
よりレジストを除去した。
Etching of 5,5iOz film 50% hydrofluoric acid: 40% ammonium fluoride = l:
The wafer was immersed in a 6 aqueous solution, and the exposed portions 5i (h) not covered with photoresist were removed by etching. Subsequently, the resist was removed with a sulfuric acid/hydrogen peroxide solution (2:1).

6、Siの異方性エツチング 80°Cの35%水酸化カリウム水溶液中にてシリコン
の異方性エツチングを行った。エツチング深さ300 
μm、エツチング完了後、ウェハーを純水で洗浄した。
6. Anisotropic etching of Si Anisotropic etching of silicon was performed in a 35% potassium hydroxide aqueous solution at 80°C. Etching depth 300
After completion of etching, the wafer was washed with pure water.

この異方性エツチングの完了後、エツチング時に使用し
たSlO□膜を除去した。これは、5と同様ニジ0%フ
ッ化水素M:40%フッ化アンモニウム=lj6水溶液
中で行った。
After completing this anisotropic etching, the SlO□ film used during etching was removed. This was carried out in an aqueous solution of 0% hydrogen fluoride M:40% ammonium fluoride=lj6 as in 5.

7.5IOJ!の形成 シリコンウェハー表面にSlO□膜を成長させるため、
l、の洗浄工程に引き続いて、ウェハーをウェット熱酸
化した。膜厚0,8 pmの膜が形成された。
7.5IOJ! Formation In order to grow a SlO□ film on the silicon wafer surface,
Following the cleaning step of 1, the wafer was wet thermally oxidized. A film with a thickness of 0.8 pm was formed.

8、クロムおよび金薄膜の形成 りロム薄膜(400人、金と基板の密着用)に引き続き
、金薄膜(4000人)を真空蒸着により形成した。
8. Formation of Chromium and Gold Thin Films Following the ROM thin film (400 people, adhesion of gold and substrate), a gold thin film (4000 people) was formed by vacuum evaporation.

9、作用極・対極形成用レジストパターンの形成ネガ型
フォトレジスト(東京応化型 OMR−83゜粘度60
 cP)を使用して、ウェハーの^um膜上に作用極・
対極形成用レジストパターンを形成した。
9. Formation of resist pattern for forming working electrode/counter electrode Negative photoresist (Tokyo Ohka type OMR-83° viscosity 60
cP) is used to place a working electrode on the ^um film of the wafer.
A resist pattern for forming a counter electrode was formed.

IO8金およびクロムのエツチング レジストパターンが形成された基板を以下の■■の金お
よびクロム用エツチング液にこの順に浸漬し、露出した
金およびクロムの部分をエツチングにより除去する。さ
らに、純水にて洗浄後、硫酸/過酸化水素水(2:1)
溶液によりレジストを除去した(第2図(A))。
IO8 The substrate on which the gold and chromium etching resist pattern has been formed is immersed in the following gold and chromium etching solutions in this order, and the exposed gold and chromium parts are removed by etching. Furthermore, after washing with pure water, sulfuric acid/hydrogen peroxide solution (2:1)
The resist was removed using a solution (FIG. 2(A)).

■金エツチング液:4gK!  およびl g I!を
40−1の水に溶かしたもの ■クロムエツチング液二〇、5 g NaOHおよび1
g KsPe(CN)iを4 mlの水に溶かしたもの
11、・クロムおよびm薄膜の形成 りロム薄膜(400人、銀と基板の密着用)に引き続き
、l!薄膜(4000人)を真空蒸着により形成した。
■Gold etching liquid: 4gK! and l g I! ■ Chrome etching solution 20.5 g NaOH and 1
g KsPe(CN)i dissolved in 4 ml of water 11. Formation of chromium and m thin films Following ROM thin film (400 people, adhesion of silver and substrate), l! Thin films (4000) were formed by vacuum evaporation.

12、塩化銀層の形成 銀を蒸着した基板を、 0.I MKCl 中に浸漬し
12. Formation of silver chloride layer: 0. Formation of silver chloride layer. Soak in IMKCl.

白金板との間に+1.0 Vの電圧を印加し、銀表面に
塩化銀層を形成した。
A voltage of +1.0 V was applied between the silver plate and the platinum plate to form a silver chloride layer on the silver surface.

13、参照極形成用レジストパターンの形成ポジ型フォ
トレジスト(東京応化型0FPR−800゜粘度20 
cP)を滴下、ウェハー上にまんべんなくゆきわたらせ
る。レジストの量は、ちょうどウェハー周囲までゆきわ
たる程度が好ましい、スピンコーティングは不可。80
°Cで30分間ポストベークを行う、ポジ型フォトレジ
ストの膜厚は溝内と平坦部では厚さが異なるものの、平
坦部の膜厚が数十μ−となるように形成した。
13. Formation of resist pattern for reference electrode formation Positive photoresist (Tokyo Ohka type 0FPR-800° viscosity 20
cP) and spread it evenly over the wafer. The amount of resist should be just enough to cover the wafer; spin coating is not possible. 80
The film thickness of the positive photoresist, which was post-baked at .degree. C. for 30 minutes, was different between the inside of the groove and the flat part, but was formed so that the film thickness of the flat part was several tens of microns.

アライナ−にてパターンを合わせ、露光を行った後1現
像を行い、水でリンスし、乾燥する。この例のように、
ポジ型フォトレジストが厚く塗布されている場合には、
−度では感光せず、ある深さまで露光部分が除去される
と、それ以上現像が進まなくなる。そこで、アライナ−
にて前述の現像途中のレジストパターンにフォトマスク
パターンを合わせ、露光を行った後、再び現像・リンス
・乾燥を行う。
After aligning the patterns with an aligner and performing exposure, one development is performed, rinsed with water, and dried. As in this example,
If the positive photoresist is applied thickly,
- It is not exposed to light, and once the exposed area is removed to a certain depth, development will no longer proceed. Therefore, the aligner
After aligning the photomask pattern with the resist pattern in the middle of development and performing exposure, development, rinsing, and drying are performed again.

基板表面まで完全に現像が完了したら次の過程に進む、
まだ、露光不完全ならば、露光→現像→リンス→乾燥を
繰り返す。最終的に銀パターンを形成するところにのみ
、ポジ型レジストパターンが残る。
Once the substrate surface has been completely developed, proceed to the next step.
If the exposure is still incomplete, repeat exposure, development, rinsing, and drying. A positive resist pattern remains only where the silver pattern will ultimately be formed.

14゜銀およびクロムのエツチング レジストパターンが形成された基板を以下の■■の銀お
よびクロム用エツチング液にこの順に浸漬し、露出した
銀およびクロムの部分をエツチングにより除去する。さ
らに、純水にて洗浄後、硫酸/過酸化水素水(2:1)
溶液によりレジストを除去する。
The substrate on which the 14° silver and chromium etching resist pattern has been formed is immersed in the following silver and chromium etching solutions in this order, and the exposed silver and chromium portions are removed by etching. Furthermore, after washing with pure water, sulfuric acid/hydrogen peroxide solution (2:1)
Remove the resist with a solution.

■恨エツチング液=29zアンモニア水:31χ過酸化
水素水;水・1 : 1 : 20溶液。
■Etching solution = 29z ammonia water: 31x hydrogen peroxide water; water 1:1:20 solution.

■クロムエツチング液: 0.5 g Na0II  
および1g K3Fe(CM)hを4mlの水に溶かし
たちの 作用極対極、参照極の完成した状態を第2図(
B)に示す。
■Chrome etching liquid: 0.5 g Na0II
Figure 2 shows the completed state of the working electrode, counter electrode, and reference electrode by dissolving 1 g of K3Fe(CM)h in 4 ml of water.
Shown in B).

15、ゲル注入用レジストパターン形成(第2図(C)
) 本体表面で、穴5と、電気的コンタクトを取るパッド部
分以外のところをネガ型フォトレジスト(東京応化型 
OMR−83、粘度60 cP) 9で被覆したこれは
、ウェハーの表面にフォトレジストを塗布し1ブリベー
タ後に露光及び現像を行うことによって実施した。感応
部を確定するフォトレジストの平坦部での膜厚は数βm
である。
15. Formation of resist pattern for gel injection (Figure 2 (C)
) On the surface of the main body, apply negative photoresist (Tokyo Ohka
This was done by applying photoresist to the surface of the wafer and exposing and developing after 1 blubrator. The film thickness of the photoresist that defines the sensitive area at the flat part is several βm.
It is.

なお、当然のことであるが、基板の切り出し部となるス
クライブライン上にはレジスト膜が残らない様なマスク
を用いて露光現像をなす。
Incidentally, as a matter of course, the exposure and development is performed using a mask that does not leave any resist film on the scribe line, which is the cutout portion of the substrate.

16、基板裏面に疎水性絶縁膜形成 基板裏面に疎水性絶縁II(信越シリコーン製ES−1
001)を−樺に塗布し、  150’Cで1時間ベー
キングを施す。
16. Hydrophobic insulation film formed on the back side of the substrate Hydrophobic insulation II (ES-1 made by Shin-Etsu Silicone) was formed on the back side of the substrate.
001) on - birch and baked at 150'C for 1 hour.

17、基板の切り出し 基板上に多数形成された酸素電極をチップ状に切り出し
た。
17. Cutting out the substrate A large number of oxygen electrodes formed on the substrate were cut into chips.

18、アルギン酸カルシウムゲルの充填電解液含有ゲル
の形成用として2次のような2種類の溶液を調製した。
18. Filling of Calcium Alginate Gel The following two types of solutions were prepared for forming electrolyte-containing gels.

A液ニアルギン酸ナトリウムを0.1 M塩化カリウム
水溶液中に溶解したもの。アルギン酸ナトリウム濃度0
.2χ。
Solution A: Sodium nyalginate dissolved in 0.1 M potassium chloride aqueous solution. Sodium alginate concentration 0
.. 2χ.

B液:塩化カルシウムを0,1M塩化カリウム水溶液中
に溶解したもの、塩化カルシウム濃度5%。
Solution B: Calcium chloride dissolved in 0.1M potassium chloride aqueous solution, calcium chloride concentration 5%.

A液に第2図(C)のチップを浸漬してゆっくり引き上
げたところ、ネガ型フォトレジスト膜9は疎水性である
ので、先のA液はレジスト膜からはじかれて穴5内を含
み対極3B、作用極3A、参照極3Cが形成されフォト
レジスト膜9で確定された電橋感応部にのみ残った。つ
いで、このチップをB液に浸漬したところ、A液は瞬時
にゲル化した。
When the chip shown in FIG. 2(C) was immersed in liquid A and slowly pulled up, the negative photoresist film 9 was hydrophobic, so the previous liquid A was repelled from the resist film and contained the inside of the hole 5 and the opposite electrode. 3B, a working electrode 3A, and a reference electrode 3C were formed and remained only in the electric bridge sensitive area defined by the photoresist film 9. Then, when this chip was immersed in Solution B, Solution A instantly gelled.

19、ガス透過性膜の被覆(第2図(D))電解液含有
ゲル6上にそのゲルを覆うようにしてガス透過性膜14
を被覆した0本例ではガス透過性膜として、工程3等で
使用したのと同じネガ型フォトレジストを使用した。す
なわち、ネガ型フォトレジスト(東京応化型 OMR−
83(商品名)粘度60 cP)をデイツプコーティン
グにより塗布した。このレジストは、プリベータを施さ
ずに直ちに露光し、その後小型酸素電極本体を純水中ま
たは飽和水蒸気中に一昼夜放置してレジスト中のシンナ
ーを抜き、ガス透過性膜および側壁用絶縁膜を完成させ
た。このレジスト膜は裏面にも形成されるが、これはよ
り絶縁性を向上させるのに有利に作用する。
19. Covering the gas-permeable membrane (Fig. 2 (D)) The gas-permeable membrane 14 is coated on the electrolyte-containing gel 6 so as to cover the gel.
In this example, the same negative photoresist as used in step 3 was used as the gas permeable film. That is, negative photoresist (Tokyo Ohka OMR-
83 (trade name) (viscosity 60 cP) was applied by dip coating. This resist is immediately exposed to light without pre-bathing, and then the small oxygen electrode body is left in pure water or saturated steam overnight to draw out the thinner in the resist, and the gas permeable film and sidewall insulating film are completed. Ta. This resist film is also formed on the back surface, which has an advantageous effect in further improving the insulation properties.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明方法によれば1作用極、対極、参照橿からなる3
極構成で酸素の定量ができるので、電気化学的により厳
密な測定ができるばかりでなく。
According to the method of the present invention, there are three electrodes consisting of one working electrode, one counter electrode, and one reference electrode.
Oxygen can be quantified using a polar configuration, which not only allows for more precise electrochemical measurements.

2橿構成と異なり参照極の損傷が抑えられる。Unlike the two-rod configuration, damage to the reference pole can be suppressed.

対極(アノード)のみが異方性エツチングにより形成さ
れた溝(穴)内から基板の表面に至り形成され、作用極
(カソード)及び参照極は溝が形成されていない基板の
表面に形成され、対陽の面積をかせぐことができ、又、
参照極の形成が容易になる。
Only the counter electrode (anode) is formed from within the groove (hole) formed by anisotropic etching to the surface of the substrate, and the working electrode (cathode) and reference electrode are formed on the surface of the substrate where no groove is formed. It is possible to increase the area facing the sun, and
Formation of the reference pole becomes easier.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は、零発所による小型酸素電極の好ましい一例を
示した平面図(A)および感応部断面図(B)、 第2図(A)〜(D)は、第1図に示した小型酸素電極
の製造プロセスの後半を順を追って示した断面図である
。 図中、lは基板、2は絶縁膜、3Aは作用極。 3Bは対極、3Cは参照極、5は穴、6は電解液含有ゲ
ル、7は疎水性絶縁膜、9はレジストパターン、そして
14はガス透過性膜である。 4貨賑 (AI平面図 筆 図 CΔ) (E) C (D) 子 図
Figure 1 is a plan view (A) and a cross-sectional view of the sensitive part (B) showing a preferable example of a small oxygen electrode based on a zero source, and Figures 2 (A) to (D) are the same as those shown in Figure 1. FIG. 3 is a cross-sectional view sequentially showing the latter half of the manufacturing process of a small oxygen electrode. In the figure, l is a substrate, 2 is an insulating film, and 3A is a working electrode. 3B is a counter electrode, 3C is a reference electrode, 5 is a hole, 6 is an electrolyte-containing gel, 7 is a hydrophobic insulating film, 9 is a resist pattern, and 14 is a gas permeable film. 4 coins (AI plan drawing CΔ) (E) C (D) Child drawing

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 異方性エッチングにより形成された溝(穴)を有する半
導体基板と、該基板表面を覆う絶縁膜と、該穴の底部か
ら該基板の表面に至って形成された対極、該穴が形成さ
れていない該基板の表面に形成された作用極及び参照極
と、該対極、作用極及び参照極上にまたがる内部電解質
を設けるように電極感応部を確定する疎水性絶縁膜と、
該作用極、対極及び参照極を覆い該穴の内部を含み該電
極感応部に充填された電解液含有多孔性物質と、該電解
液含有多孔性物質を覆うガス透過性膜とを有することを
特徴とする小型酸素電極。
A semiconductor substrate having a groove (hole) formed by anisotropic etching, an insulating film covering the surface of the substrate, a counter electrode formed from the bottom of the hole to the surface of the substrate, and a counter electrode in which the hole is not formed. a working electrode and a reference electrode formed on the surface of the substrate, and a hydrophobic insulating film defining an electrode sensitive part so as to provide an internal electrolyte spanning over the counter electrode, the working electrode, and the reference electrode;
An electrolyte-containing porous material covering the working electrode, counter electrode, and reference electrode and filling the electrode sensitive part including the inside of the hole, and a gas permeable membrane covering the electrolyte-containing porous material. Features a small oxygen electrode.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010060391A (en) * 2008-09-02 2010-03-18 Horiba Ltd Dissolved oxygen sensor
JP2010060393A (en) * 2008-09-02 2010-03-18 Horiba Ltd Dissolved oxygen sensor

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63238548A (en) * 1987-03-27 1988-10-04 Masao Karube Oxygen electrode and its preparation

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